Autarke Solartankstelle: Saar-Uni und Kooperationspartner entwickeln Pilotanlage

Eine Tankstelle für Elektrofahrzeuge, die mittels einer Photovoltaikanlage in Kombination mit einem elektrochemischen Speicher zu hundert Prozent regenerativ und autark arbeitet, entwickelt die Universität des Saarlandes derzeit gemeinsam mit Kooperationspartnern. Die Testanlage ist etwa so groß wie ein Autoparkplatz und wird in Burbach entstehen. Neben der Saar-Universität sind die Technische Universität Kaiserslautern, die SCHMID Energy Systems GmbH aus Freudenstadt und die IZES gGmbH aus Saarbrücken beteiligt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das Verbundvorhaben „OptiCharge“ mit insgesamt 1,6 Millionen Euro, davon fließen 300.000 Euro an die Saar-Uni. Das Projekt ist am 1. August 2015 gestartet und läuft über drei Jahre.

„Die Testanlage wird in einem Container installiert, dessen Dach mit Solarzellen ausgestattet ist. Im Inneren befindet sich eine elektrochemische Batterie, die die Sonnenenergie zwischenspeichert und als Ladestation mit zwei Steckdosen für Elektrofahrzeuge fungiert“, erklärt Harald Natter vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie. Der promovierte Chemiker leitet die Arbeitsgruppe der Saar-Uni im Projekt „OptiCharge“.

Herzstück der Anlage ist der elektrochemische Speicher: eine Vanadium-Redox-Batterie. Bis zu 50 elektrochemische Zellen sollen dabei in einem so genannten Zellenstack hintereinandergeschaltet werden. Jede Einzelzelle besteht aus zwei getrennten Elektrodenräumen, die durch eine ionenleitende Membran getrennt werden. Die Elektrodenräume enthalten ein spezielles Kohlefaservlies. Der Zellenstack ist mit zwei Tanks verbunden, die wässrige Lösungen mit Vanadium-Ionen verschiedener Wertigkeitsstufen enthalten. „Wird Solarstrom an die Batterie angelegt, so wechseln die Vanadium-Ionen ihre Oxidationsstufe“, erläutert Harald Natter die Funktionsweise der Batterie. Dabei werden beim Ladevorgang Vanadiumionen an der Anodenseite oxidiert (V4+-Ionen wechseln ihre Oxidationsstufe zu V5+) und an der Kathodenseite reduziert (V3+-Ionen wechseln ihre Oxidationsstufe nach V2+). Bei der Energieentnahme, also beim Laden der Fahrzeuge, läuft der Vorgang in der umgekehrten Richtung ab. Auf diese Weise kann elektrische Energie in den Vanadiumlösungen gespeichert und in den beiden Tanks gelagert werden.

Bereits heute werden Redox-Flow-Batterien für verschiedene Zwecke eingesetzt, auch für die Speicherung von Wind- und Wasserkraft. Allerdings: „Die Anwendung als Ladestation für Elektrofahrzeuge ist neu“, sagt Harald Natter. „Die Technik dahinter ist hochkomplex.“ Daher haben die Kooperationspartner die Aufgaben verteilt. So entwickelt die TU Kaiserslautern ein Lademanagement-System, also eine Software, die die Arbeit der Batterie kontrolliert. Dabei sollen auch eingehende Wetterdaten berücksichtigt werden, so dass sichergestellt wird, dass bei erwartetem Sonnenschein genügend freier Speicher zur Verfügung steht. Bei der Integration der Steuersoftware in die Testanlage werden die Kaiserslauterner Wissenschaftler von der Forschungsgruppe „Technische Innovationen“ der Firma IZES unterstützt, die das Vorhaben auch koordiniert. Das Prototypensystem der Anlage hat die Firma Schmid entwickelt, allerdings ohne Solarzellen und mit Standardkomponenten.

Diese Komponenten zu optimieren, hat sich die Arbeitsgruppe der Saar-Uni zum Ziel gesetzt. Dabei soll vor allem die Beschaffenheit des Kohlevlieses, an dem der Elektronenaustausch stattfindet, verbessert werden: „Wir wollen die fein verästelte Kohlefaser-Oberfläche weiter vergrößern und zusätzlich Katalysatoren aufbringen“, erläutert Harald Natter. Darüber hinaus arbeiten er und sein Team an der Entwicklung einer neuartigen Ladezustandsanzeige („state of charge sensor“). Diese soll mittels einer spektroskopischen Analytik funktionieren, die die Menge einer bestimmten Ionenspezies ermittelt. „Sind viele V5+-Ionen vorhanden, ist die Batterie geladen, gibt es viele V4+-Ionen, ist sie entladen“, erläutert der Saarbrücker Forscher das Prinzip. Um die Ionen-Mengen zu ermitteln, sollen kleine Proben der wässrigen Lösung in eine Küvette abgepumpt werden, die von einer Laserlichtquelle und von UV-Strahlung durchstrahlt wird. Ein Detektor registriert charakteristische Peaks, deren Höhe und Form mit der Menge bestimmter Ionen-Spezies korreliert und mit einem mathematischen Auswertealgorithmus in eine Konzentration übersetzt werden kann. Auf diese Weise lässt sich der Ladezustand permanent online erfassen.

Mit dem Aufbau der Pilotanlage auf dem Burbacher Gelände der IZES gGmbH soll in Kürze begonnen werden. Die Steuerung der gesamten Anlage wird ein Zentralrechner übernehmen, der die Daten über eine Mobilfunkleitung von der Ladestation empfängt.

Weitere Informationen: www.uni-saarland.de/lehrstuhl/hempelmann.html

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